Les MXenes à contrôle atomique permettent une production d’hydrogène vert rentable

Au total, 137 pays à travers le monde ont signé un accord sur le changement climatique « zéro émission nette » visant à mettre fin à l’utilisation des combustibles fossiles et à atteindre zéro émission de carbone d’ici 2050. L’hydrogène est présenté comme la prochaine source d’énergie verte car il n’émet que de l’eau et de l’oxygène lorsqu’il est utilisé comme source d’énergie.

Les méthodes de production d’hydrogène sont divisées en hydrogène gris, hydrogène bleu et hydrogène vert en fonction de la source d’énergie et des émissions de carbone. Parmi elles, la méthode de production d’hydrogène vert est la méthode la plus écologique qui produit de l’hydrogène sans émissions de carbone en électrolysant l’eau à l’aide d’énergie verte.

Une équipe de recherche dirigée par le Dr Albert Sung Soo Lee du Centre de recherche sur la convergence pour les solutions aux interférences électromagnétiques dans la mobilité future et le Centre de recherche sur l’architecture des matériaux de l’Institut coréen des sciences et technologies (KIST), en collaboration avec le groupe du professeur Chong Min Koo de l’Université Sungkyunkwan, a développé un MXene à base de molybdène oxydativement stable comme support d’électrocatalyseur dans les électrolyseurs d’eau à membrane échangeuse d’anions.

L’étude est publiée dans la revue Catalyse appliquée B : Environnement et énergie.

Comme il est stable dans des conditions de haute tension oxydatives, s’il est appliqué comme support pour les catalyseurs d’électrolyse, il peut être utilisé comme matériau d’électrode de réaction d’évolution de l’oxygène pour la production d’hydrogène vert afin de réduire le coût de production d’hydrogène vert.

La décomposition de l’eau en molécules d’hydrogène et d’oxygène nécessite une grande quantité d’énergie. Pour réduire cette énergie de réaction initiale, on utilise un catalyseur. Plus le catalyseur, qui est constitué de minuscules particules nanométriques, est petit, plus sa surface est grande, ce qui permet à la réaction d’avoir lieu.

Cependant, au fil du temps, les petites particules de catalyseur peuvent s’agglomérer, réduisant la surface et l’efficacité de la production d’hydrogène. Pour éviter cela, des catalyseurs et des supports sont utilisés ensemble, et le carbone est principalement utilisé pour la cathode, où l’hydrogène est produit, mais lorsque le carbone est utilisé dans une réaction d’oxydation à l’anode, il est oxydé en dioxyde de carbone. Ainsi, un support présentant une résistance élevée à l’oxydation est nécessaire.

Un matériau pouvant être utilisé comme support est le MXène. Les MXènes sont des nanomatériaux composés d’atomes métalliques (Ti, Mo, Hf, Ta, etc.) et d’atomes de carbone ou d’azote, qui présentent des propriétés électroconductrices et ont une nanostructure 2D adaptée au support de catalyseur, ce qui les rend favorables à la production d’hydrogène.

Les MXènes à base de titane ont été les plus étudiés en raison de leur conductivité électrique élevée. Cependant, la nature atomique du titane, qui s’oxyde facilement dans l’eau, a conduit à l’inconvénient inhérent que le catalyseur ne peut pas maintenir une conductivité électrique élevée. Pour surmonter ce problème, l’équipe a conçu un nouveau catalyseur anodique qui utilise le MXène à base de carbure de molybdène comme support.

Lorsque le MXene à base de molybdène est utilisé comme support, de fortes liaisons chimiques sont créées entre les atomes de molybdène à la surface du MXene et les matériaux actifs cobalt.

Les liaisons chimiques obtenues ont permis d’augmenter l’efficacité de production d’hydrogène d’environ 2,45 fois. En particulier, la durabilité de la cellule unitaire a été améliorée de plus de 10 fois par rapport aux résultats d’un MXene récent à base de titane, qui a duré moins de 40 heures.

Cela devrait réduire le coût de la production d’hydrogène vert et sera appliqué aux usines de production d’hydrogène à grande échelle et aux centrales électriques à hydrogène vert à grande échelle à l’avenir.

« En contrôlant les éléments qui composent le MXene, nous avons pu trouver des candidats appropriés pour les environnements de production d’hydrogène vert, et grâce à cela, nous avons obtenu un support MXene stable dans un environnement oxydant », a déclaré le Dr Albert Sung Soo Lee du KIST.

« À l’avenir, nous contribuerons à la revitalisation de l’économie basée sur l’hydrogène en développant des catalyseurs à électrodes générant de l’oxygène avec une efficacité catalytique et une durabilité. »